[PDF] EE2-1 : Mobilité automobile fonction de la consommation spé

View - Download EE2-1 : Mobilité automobile

Previous PDF

Next PDF

EE2-1 : Mobilité automobile

La première partie du document présente les enjeux du développement durable appliqués à

l'industrie automobile avec une approche centrée sur le véhicule ; les aspects d'optimisation de la

matière, l'efficacité énergétique des moyens de production et les filières de recyclage des

véhicules hors d'usage ne sont pas abordés ici. La part importante du transport dans les émissions de gaz à effet de serre nous conduit à situer les enjeux d'aujourd'hui et de demain pour aller vers une réduction des consommations en

carburant des véhicules. Nous verrons quelles sont les solutions technologiques qui ont été mises

en oeuvre dans cet objectif de sobriété énergétique pour présenter le principe " downsizing » et le

véhicule hybride. La seconde partie propose une étude dirigée des consommations et des émissions de CO2

des groupes motopropulseurs dans différents contextes d'usage. Le lecteur est amené à situer

des points de fonctionnement à vitesse stabilisée sur les caractéristiques propres des

motorisations ; il est ainsi conduit à établir l'intérêt du sous-dimensionnement des moteurs

thermiques implantés dans les véhicules. Enfin, l'étude se termine par une approche des solutions

d'hybridation des motorisations afin de répondre au mieux aux besoins de couple des véhicules. Une perspective à cette étude pourrait prendre en considération les phases dynamiques (accélération, décélération) et leurs aspects énergétiques.

Éléments de contexte..........................................................................................2

1-Le transport et les émissions de gaz à effet de serre................................................2

2-L'automobile et la consommation de carburant.......................................................3

2.2-Les éléments de réduction de la consommation................................................5

2.3-Les tests de consommation et d'émissions des véhicules......................................7

3-Le principe " downsizing » ...............................................................................7

4-Le véhicule hybride........................................................................................8

4.1-Architectures types des véhicules hybrides......................................................8

4.2-Les flux d'énergie.....................................................................................9

Une étude dirigée sur le " downsizing » et l'hybridation des Groupes Moto-Propulseurs ....11

1-Évaluation de la consommation énergétique d'un véhicule à vitesse stabilisée................11

2-Étude critique du " downsizing » des Groupes Moto-Propulseurs.................................13

3-Une exploitation de l'hybridation Thermique - Électrique des GMP..............................15

STI2D-EE2-1- Mobilité automobile - Enjeux énergétiquespage 1/18

Éléments de contexte

1- Le transport et les émissions de gaz à effet de serre.

L'effet de serre est un phénomène naturel qui permet de conserver en dessous de la couche atmosphérique une partie des rayonnement du soleil. Cela permet d'observer une température moyenne de 15°C alors qu'en l'absence de cet effet, si tous le rayonnement solaire était renvoyé, nous observerions une température moyenne de - 18°C. L'effet de serre est possible grâce à la couche d'ozone. Cependant depuis plusieurs années, on observe une augmentation du phénomène qui nous conduit à une élévation de la température moyenne à la surface du globe.

Les perspectives sont variables mais le

réchauffement climatique ou le dérèglement climatique comme le nomme la plupart des pays est constaté et corrélé avec les activités humaines. En effet, les modèles climatiques du GIEC (Groupe d'Experts

Intergouvernemental sur l'évolution du Climat

ou IPCC en anglais Intergovernmental Panel on Climate Change), qui prennent maintenant en considération la composition chimique de l'atmosphère (modèle AR4), permettent de constater que les gaz à effet de serre voient

leur concentration augmenter de manière très significative depuis la révolution industrielle

depuis les années 1950, 1960. Parmi ces gaz, la vapeur d'eau occupe une place prépondérante avec une contribution de l'ordre de 72% - nous avons tous observé une température plus douce après une nuit nuageuse qu'après un ciel étoilé.

L'activité humaine génère des émissions de gaz à effet de serre qui tendent à déséquilibrer

l'éco-système et à augmenter ainsi les valeurs moyennes des températures à la surface du

globe. Parmi ces activités, les transports représentent environ 42% des émissions et l'ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maitrise de l'Énergie) en observe une évolution de +22% entre les années 1990 et 2000. Alors que l'industrie ou la production

d'énergie présentent des réductions d'émissions sur la même période, les transports et

l'habitat sont en augmentation (+22% et +14% respectivement de 1990 à 2000). En 2006, l'ADEME précise que le transport routier représente 80% de la consommation énergétique dont 98% est liée au pétrole. Les transports routiers contribuent directement à l'effet de serre par les émissions de gaz comme le dioxyde de carbone (CO2) qui est généré par la combustion de carburant. Cette contribution est très importante puisqu'elle représente plus de 95% des émissions dues aux transports, le protoxyde d'azote (N20) présent dans les gaz d'échappement des STI2D-EE2-1- Mobilité automobile - Enjeux énergétiquespage 2/18 moteurs à allumage commandé et l'ozone troposphérique O3 qui résulte de la photolyse du dioxyde d'azote N2O par les radiations solaires en présence d'hydrocarbure (méthane, benzène, toluène).

Aujourd'hui le dérèglement climatique amène les pays à s'interroger sur les émissions de

gaz à effet de serre et à mettre en place des dispositifs afin de les réduire. Si en 1920 les

émissions de C02 étaient de 0,8 GteC (Giga tonne équivalent carbone) par an, nous arrivons à 6 GteC aujourd'hui (2009) et les perspectives envisagent, si rien n'est fait, d'atteindre les 10 GTeC en 2050. Les prévisions établies lors du protocole de Kyoto

(décembre 1997 - ratifié par l'Union Européenne en 2002) présentent différents scénarios

de l'évolution du climat en fonction de l'évolution des activités humaines. Une vision optimiste (scénario B1 - approche environnementale dans un contexte mondial) prévoit une augmentation de +2°C à l'horizon 2050. Afin d'atteindre ces objectifs, la commission européenne a mis en place en 2009 des normes de performance en terme d'émissions pour les voitures neuves. Il s'agit de limiter les émissions à 130g de CO2 par km puis de les réduire à 95 gCO2/km en 2020. Les objectifs sont progressifs : 65% des véhicules sont pris en compte en 2012, puis 75% en

2013, 80% en 2014 et enfin 100% en 2015. Les constructeurs de véhicules particuliers ont

donc des enjeux de réduction de consommation de carburant (le dioxyde de carbone, CO2, est produit par la combustion de carburant).

2- L'automobile et la consommation de carburant

Afin de comprendre les principes de consommation de carburant des véhicules à moteur thermique, actuellement les plus répandus sur le marché, nous proposons une approche énergétique du moteur et les principaux leviers de réduction des consommations des véhicules.

2.1-Principe

Depuis les chocs pétroliers de 1973 et 1979, les constructeurs automobiles fabriquent des véhicules dont les moteurs consomment de moins en moins de carburant. Cette avancée technologique est souvent masquée par le phénomène de l'effet rebond : si les moteurs consomment moins de carburant, nous pouvons en produire de plus grands, de plus lourds... à consommation constante ou équivalente. Aujourd'hui, la réglementation et la demande des consommateurs amènent les constructeurs à proposer des véhicules ayant une consommation raisonnable. Afin de comparer différents véhicules, les constructeurs ont l'obligation d'afficher une étiquette énergétique depuis 2006 (voir figure ci- contre). Celle-ci comprend l'identification du véhicule, le type de STI2D-EE2-1- Mobilité automobile - Enjeux énergétiquespage 3/18 carburant, la consommation selon les cycles urbain, extra-urbain et mixte en litres/100km, les émissions de dioxyde de carbone CO2 sur le cycle mixte et le positionnement du véhicule sur l'échelle des émissions (classes A à G). La consommation de carburant des véhicules automobiles est liée à plusieurs caractéristiques comme la consommation du moteur, la masse du véhicule, sa géométrie pour tenir compte des efforts de pénétration dans l'air, des efforts dus aux roulement du véhicule, etc. Pour un moteur à combustion interne, la quantité de carburant dépend de sa puissance, du couple demandé et de son régime en tours par minute. Les courbes d'iso-consommation indiquent les zones où le moteur est économe et celles qui engendrent une forte consommation. Ces courbes permettent de comparer des motorisations différentes en fonction de la consommation spécifique CSP en g/kWh. La donnée CSP représente l'inverse du rendement du moteur thermique.

Le type de carburant employé dans le véhicule sera également à prendre en considération

pour déterminer la quantité de CO2 émise par kilomètre. Par exemple, l'objectif de

120 gCO2/km impose une consommation de 4,6 litres/100km pour un véhicule diesel.

Explications : 120 gCO2 représentent 120x12/(12+2x16)=32,7 gC ; or la masse du carburant diesel contient 85% de carbone, on aura donc une consommation de

STI2D-EE2-1- Mobilité automobile - Enjeux énergétiquespage 4/18source : Éducation Nationale

32,7/0,85=38,5 g de diesel. La masse volumique du diesel étant de 830 kg/m3, le véhicule

devra présenter une consommation de 4,67 litres/100km. La consommation des véhicules est donc un enjeux majeur pour les constructeurs automobiles afin de respecter les seuils fixés par le Commission Européenne.

2.2-Les éléments de réduction de la consommation

La consommation d'un véhicule dépend de différents paramètres : ceux inhérents au

véhicule comme la masse, la résistance au roulement... et ceux inhérents à l'usage qui en

est fait comme les accélérations, la vitesse, les dénivelés du parcours... La masse des véhicules est un élément déterminant dans la consommation de carburant.

Plus elle est élevée, plus le véhicule aura besoin d'énergie pour se mettre en mouvement.

Paradoxalement, on observe une augmentation significative de la masse des véhicules ; par exemple, la Golf 1 affichait 700 kg sur la balance alors que la Golf 5 dépasse la tonne ! L'embonpoint pris par les véhicules s'explique par un besoin de sécurité passive accru. En

effet la masse du véhicule est également un élément déterminant sur la tenue de route et

sur les différents tests de sécurité passive (crash-tests). L'étude des points de fonctionnement du groupe moto-propulseur sur les courbes d'iso-consommation montre que le rapport de la boite de vitesse intervient de manière significative sur la consommation de carburant. Sur les véhicules à boite manuelle, seul le pilote peut agir pour tendre vers un optimum ; les boites de vitesses à variation continue (CVT) permettent de garantir cet optimum de consommation en conservant un couple fourni selon la sollicitation du pilote. Le coefficient de trainée (Cx) ou la résistance à l'avancement rend compte de la force de

résistance d'une surface. Il dépend de la géométrie du véhicule et permet de déterminer la

force de trainée (Fx) en fonction des caractéristiques du véhicule et de sa vitesse de déplacement :Fx=1

2..S.Cx.v2avec ρ : masse volumique du fluide (ρ air = 1,25 kg/m3 à +10°C) ; S : surface frontale du

véhicule en m2 (ou maitre-couple) ; Cx, le coefficient de trainée et v, la vitesse relative du véhicule par rapport au fluide en m/s. Le profilage aérodynamique des véhicules a énormément progressé pour présenter des coefficients de trainée les plus faibles possibles. Cependant, c'est la surface projetée ou le

STI2D-EE2-1- Mobilité automobile - Enjeux énergétiquespage 5/18source : Éducation Nationale

maitre-couple (S) qui a, dans le même temps, augmenté afin de répondre à des besoins de confort et de sécurité. Par exemple, un SUV (Sport and Utility Vehicule) de Cx de 0,40 et de maitre-couple de

2,70m2 nécessitera un effort Fx de 521,7 N pour se déplacer à 100 km/h :Fx=1

2..S.Cx.v2=1

2∗1,25∗2,70∗0,4∗27,82=521,7NSi ce déplacement s'effectue dans les mêmes conditions pendant 100 km, l'énergie mise

en jeu sera de l'ordre de 52,17 MJ. En considérant un moteur diesel (Pouvoir Calorifique Inférieur =38,08MJ/l) et un rendement global du réservoir à la roue de 40%, le véhicule consommera 3,42 litres sur le trajet de 100km uniquement pour vaincre la résistance aérodynamique à l'avancement. La consommation en carburant dépend également de la résistance au roulement (Rr). Celle-ci rend compte des caractéristiques des pneumatiques, de leur état et de leur

pression et également des chaussées empruntées par le véhicule. Il est évident qu'il faudra

conserver un compromis acceptable entre la résistance au roulement et l'adhérence. Les pneumatiques ont largement évolués dans le domaine afin de garantir une adhérence en limitant la résistance au roulement. La Commission Européenne rend obligatoire l'usage de pneumatiques à faible résistance au roulement et au contrôle automatique de leur pression sur tous les véhicules neufs dès 2012. Ces mesures permettraient une réduction de

7 gCO2/km.

Ces caractéristiques et l'ensemble des efforts nous donne une expression de la force de

résistance à l'avancement pour le véhicule Toyota PRIUS selon la vitesse de déplacement :

FenN=1880,32.v0,456.v2Le véhicule demande, pour un trajet de 100 km à la vitesse de 90 km/h, une énergie de

48,175 MJ, soit une consommation de 3,4 litres (PCI Essence 35,45 MJ/l et rendement

global de 40%). Ce résultat ne prend pas en compte la mise en vitesse de la masse du véhicule (1300kg). STI2D-EE2-1- Mobilité automobile - Enjeux énergétiquespage 6/18

2.3-Les tests de consommation et d'émissions des véhicules

3- Le principe " downsizing »

Le " downsizing » désigne un ensemble de procédés visant à réduire la cylindrée d'un

moteur, sans en dégrader la puissance spécifique, dans le but de réduire la consommation de carburant. Les solutions techniques apportées aux moteurs essence comme aux moteurs diesel permettent de réduire la cylindrée en conservant une puissance suffisante aux besoins du véhicule. L'injection directe sur les moteurs essence n'est pas une nouveauté ; Georges Regembeau avait ainsi converti sa Citroën Traction au début des années 1950. La magnifique Mercedes 300 SL (1955) a été la première voiture de série a être équipée d'une injection directe essence. L'idée n'a pratiquement plus été mise en oeuvre jusque dans les années 1980 où le fabriquant Fiat propose une injection directe diesel. Le principe permet une combustion stratifiée à mélange pauvre (rapport carburant/air <1), amène une réduction de l'ordre de 10% de la consommation mais produit dans le même temps plus d'oxyde d'azote (Nox). Depuis, la technologie a évoluée vers le turbo-diesel à injection directe. La suralimentation par turbocompresseur apporte également un gain de puissance ou une diminution de cylindré à puissance identique ; par exemple, un moteur 1,6 litres

STI2D-EE2-1- Mobilité automobile - Enjeux énergétiquespage 7/18source Wikipedia, auteur Sfoskett

turbocompressé (Mini Cooper S) obtient les mêmes performances de couple qu'une cylindré de 2,5 litres atmosphérique. Le turbocompresseur à faible inertie fonctionne alors à tous les régimes moteur et permet d'observer une caractéristique de couple pratiquement constante de 2000 à 5000 tr/min ; l'économie de carburant est alors de l'ordre de 10%. Le downsizing ne concerne pas seulement le moteur. Les gains de puissance sur les énergies de service comme la direction électrique en remplacement de l'hydraulique ou

l'optimisation énergétique de tous les accessoires de confort et de sécurité apportent des

économies notables qui permettent un besoin en puissance plus petit. Les efforts de conception sur les rendements de toutes les chaines de transmission : matière, frottements réduits, équilibrage, calage de distribution variable ou encore les commandes de soupapes

électromécaniques (camless)...

Aujourd'hui, les constructeurs se tournent vers l'hybridation du groupe moto-propulseur avec des solutions thermique / électrique, hydrogène, pile à combustible...

4- Le véhicule hybride

Dans l'objectif de réduction des émissions de CO2 et des consommations de carburant, les constructeurs automobiles fabriquent des véhicules hybrides. Ils utilisent le principe " down sizing » pour un dimensionnement du moteur thermique au plus près de son point de fonctionnement optimal à vitesse établie dans la zone de fonctionnement économe des courbes d'iso-consommation. Le véhicule est équipé de batteries et ne reçoit donc que du

carburant comme énergie externe. L'ensemble est piloté de manière à récupérer l'énergie

cinétique au ralentissement ou à utiliser le surplus de la puissance du moteur thermique pour recharger les batteries. L'apport de couple nécessaire aux accélérations est alors fourni par un moteur électrique. Si aujourd'hui les constructeurs proposent des véhicules essence/électrique, les développements en cours les amèneront à coupler moteur diesel et moteur électrique.

4.1-Architectures types des véhicules hybrides

Architecture série : un moteur thermique est accouplé un générateur électrique et l'énergie ainsi transformée permet au moteur électrique d'entraîner les roues. Le moteur thermique fonctionne alors généralement à régime fixe dans la zone de consommation réduite à son rendement optimum.

STI2D-EE2-1- Mobilité automobile - Enjeux énergétiquespage 8/18source : Éducation Nationale

Architecture parallèle : les deux types de motorisation sont utilisés pour entraîner les roues. Le système de pilotage permet également de recharger les batteries sur certains points de fonctionnement. Architecture série-parallèle : c'est une combinaison des deux architectures présentées ci-dessus. La complexité de ces véhicules (exemple, Toyata Prius) rend leur approche difficile surtout dans leur pilotage.

Il existe d'autres types d'hybridation, notamment les véhicules " start and stop » à alterno-

démarreur que l'on qualifie de micro-hybrides. Le principe est de stopper le moteur

thermique lors des phases d'arrêt ; le véhicule est alors relancé par une machine électrique

soit en actionnant le démarreur, soit en délivrant l'énergie nécessaire pour effectuer quelques tours de roue et lancer ainsi le moteur thermique.

4.2-Les flux d'énergie

Le flux d'énergie peut emprunter différents chemins en fonction de la demande du pilote et du trajet (demande de puissance, couple demandé à la roue). En fonctionnement moteur, le flux d'énergie peut être fourni par le moteur thermique ou par le moteur électrique ; le système de pilotage assure également un " mixte » des solutions pour conserver le point de fonctionnement du moteur thermique dans une zone de rendement optimal. En régime de récupération, le flux d'énergie vient des roues ou du moteur thermique pour recharger les batteries. Le tableau ci-dessous illustre les principaux types de fonctionnement (source des images :

Éducation Nationale) :

STI2D-EE2-1- Mobilité automobile - Enjeux énergétiquespage 9/18source : Éducation Nationale

Fonctionnement en machine électriqueFonctionnement en moteur thermique

Fonctionnement en récupération moteur

thermique Fonctionnement en récupération machine

électrique

5- Conclusion

Le secteur du transport routier représente une très grande part des émissions des gaz à effet de serre ; les enjeux énergétiques et environnementaux sont donc importants et les constructeurs automobiles doivent s'adapter aux nouvelles réglementations en terme d'émission de CO2 (95 gCO2/km en 2020). Les solutions techniques présentées iciquotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

[PDF] cosinus 90

[PDF] table cosinus

[PDF] cosinus 1

[PDF] cosinus pi

[PDF] angles consécutifs def

[PDF] dans un parallélogramme deux angles consécutifs sont supplémentaires

[PDF] angles consecutifs dans un parallelogramme

[PDF] coté consécutif d'un quadrilatère

[PDF] somme des angles d'un parallélogramme

[PDF] cours sur les triangles pdf

[PDF] cours sur les triangles 5ème

[PDF] coté adjacent définition

[PDF] calcul hypoténuse triangle rectangle avec angle

[PDF] coté adjacent d'un angle

[PDF] calcul icc excel